0 引　言

自升式平台的特殊构件为在关键载荷传递点和应力集中处的主要构件^[1~3]。各大船级社规范的规定中有且仅有两处：一是与沉淀或桩靴相连接部分的桩腿垂直结构，二是含有新颖构造桁架式桩腿结构中的连接部位，包括使用的铸钢件或锻钢件。主要构件为对平台结构整体完整性有重要作用的构件，特殊构件的重要性凌驾于一切构件之上，关乎整个平台的安全，为“牵一法而动全身”的平台生命要素，其设计、制造、检验均受到设计院、船厂、船级社、船东的严苛关注。

本文研究对象为桁架式桩腿的自升式风电安装平台与桩靴相连接部分的桩腿垂直结构，为常规自升式风电安装平台的唯一一处特殊构件；该特殊构件涉及桩腿、桩靴、升降锁紧系统、平台主船体结构等平台的所有系统。由现行的各大船级社《海上移动平台入级规范》而言，该特殊构件规范设计的规定非常笼统，除了明确为特殊构件外，并没有具体详细的条款明确此处的构件如何设计及计算、有限元如何分析、精细化设计流程如何开展、疲劳强度如何评估。与沉垫或桩靴相连接部分的桩腿垂直结构为自升式平台的特殊构件，特殊构件最低设计温度下的材料最小板厚、冲击试验温度等常规规范设计的相应要求；应对沉垫/桩靴与桩腿的连接区域和沉垫/桩靴结构内部的连接件、框架和撑柱加以特别注意，应使其能恰当传递桩腿和沉垫/桩靴之间的载荷。对于可能产生潜在疲劳裂纹的任意焊缝和引起应力集中的结构形式均应进行抗疲劳设计。必要时，应进行节点细部的疲劳分析。

以上粗糙、笼统的规范规定，导致该特殊构件区域在设计人员设计时必须具备跨学科跨专业的雄厚技术和理论功底、必须具备满足现代各船级社规范需要的任何可能的“case by case”计算分析功底；船厂采购和施工人员建造时必须符合规范许可的严苛材料及施工工艺；船级社审图人员审核及现场检验人员检测时必须拥有规范许可范围内的条款解读功底。任何盲目以特殊构件为切入点而失去方向的一味夸大此处结构设计的风险只会为整个工程的有序开展、顺利推进增加不必要的负担，数据化、科学化地展示此处结构设计数据必须在理论基础上结合公开、透明的规范、规则条款。

本文研究基于依托工程实际的设计需求、船厂建造验收的工艺困难需求及船级社对特殊构件的关键设计的迫切关注需求而进行的精细化设计和量化研究。该特殊构件关乎桁架式桩腿可利用布置空间、升降系统可利用布置空间、围井加强系统可利用布置空间、桩靴承载面积最大化的可利用布置空间、特殊检验通道的可利用布置空间等，各布置空间的需求既相互排斥又密不可分。依托的实际工程为国内首条2 000 t自升自航式一体化海上风电安装平台，由中国船舶及海洋工程研究设计院设计，桩腿总长120 m，桁架式桩腿，多边型桩靴，其特殊构件布置示意图见图1。主要作业海域为广东、福建海域，同时兼顾我国其他海域，最大作业水深70 m，最大入泥深度15 m；可装载3 600 kJ等级左右打桩设备1套进行施工作业，满足深远海10 MW及以上单机容量海上风电项目开发需要，为四桩腿齿轮齿条式自升自航式一体化海上风电安装平台；其主船体采用流线型船首，方型尾部，中部为通畅作业甲板，尾部右舷设2 000 t绕桩式全回转起重机。工程上针对此类功能的船舶与海洋结构物一般又称为自升式起重船、自升式风电安装船，本文统一称为自升式风电安装平台。

桁架式桩腿的自升式风电安装平台其平台主船体结构为船型，船型结构物一般为横、纵两方向上各向异性的矩型箱型结构；而桁架式桩腿本身结构为各向同性，这就决定了在迁移状态必须收回平台主船体的桩靴结构，在其结构形状设计上兼顾了各向同性到各项异性的过渡。桩靴结构不同设计形状的原因归根结底在于它是一布置型海工重载装备，其外形设计本身受平台主体布置、升降机构布置、桩腿截面形状、升降系统成本等的多方面制约；而平台总体设计中的对地载荷、插拔桩、入泥深度、海底地基的不确定性等因素使得每一个桩靴设计的过程都是最大化追求桩靴的有效承载面积，最小化桩靴的对地压力的反复迭代、综合较量的过程。

多边型桩靴结构设计其实是混合了经典米字型、径向辐射型、六边型、三角型等于一体的类蜘蛛网式仿生学结构，从载荷传递上较好地完成了各向同性到各项异性的过渡，常见于桁架式桩腿的自升式风电安装平台。矩形桩靴结构一般用于混合经典米字型、径向辐射型的结构，常见于圆柱型桩腿的自升式风电安装平台。

1 特殊构件设计的基础要素

常规桁架式桩腿的自升式风电安装平台的特殊构件实质是传统管构件与桩靴板壳构件的连接设计问题，只不过传统管节点设计中应力集中因子确定基于成熟的Efthymiou方程；而通过传统的经验公式或者经典力学方法来具体的量化和公式化桩腿与桩靴连接处特殊结构的具体应力集中因子是比较困难的一项工作。实际情况下，与该构件相关的桩腿、桩靴以及附近的主船体设计的多变性，也导致了该特殊构件区域的设计很难形成通用型的模型试验对其进行标准化的试验研究，因此目前规范对于管构件与板壳结构的连接应力集中因子确定并没有明确的规定必须如何开展；工程设计上也是尽可能针对具体工程通过目前成熟完善的三维有限元立体手段全面展示此处的屈服强度、疲劳强度以最终满足现行规范体系下的各项设计指标要求。

本依托平台的桩腿主弦管截面属性见图2，安全起见，桩腿主弦管的齿条不参与强度计算，结构设计的强度计算仅计及主弦管齿条板的齿根到齿根。依据经典力学理论，其在既定输入载荷值下的剖面名义应力计算过程及计算结果见表1。

2 特殊构件的递进设计流程

本依托平台桩靴结构基础需承担约13500 t的预压载设计载荷；其桩靴结构最终设计方案采用了八边型倾斜式箱型混合三角型浮箱的复合型水密结构设计形式，长为15.9 m，宽为14.2 m，整个高度约5.26 m；内部由30°绕辐射桁材或舱壁板混合周向的三角形舱壁板、六边形舱壁板，围绕桩腿主弦杆形成强有力的径向、周向仿生学力学结构，以有效疏散平台总体外载荷，最大化的利用平台主体结构的桩靴收回空间，尽可能实现了桩靴承载面积的最大化，见图3。桩靴最大投影面积约205.7 m²，桩靴面压力达到约66 t/m²。

本依托平台桩腿弦杆间距10 m，桩腿与桩靴连接附近的节间距为4.13 m；在桩靴与桩腿结构连接处，最终设计方案采用了覆盖近1.5个节间距的流线型肘板进行屈服强度及抗疲劳设计，而且此处一直处于水下状态，水下结构设计规范温度为0°；该流线型肘板同时连接桩靴顶部三角型浮箱、桩腿根部斜撑、桩腿根部主弦杆。

本文采用精细化网格三维有限元方法，借助大型商用有限元软件MSC/Patran 、MSC/Nastran进行，依托本平台的桩靴结构递进设计方案具体流程，对桩腿与桩靴连接处特殊结构设计进行详细的三维有限元数值化分析及研究，以基础要素中的名义应力为递进设计的比较基准值，采用4种递进设计方案的结构模型进行，详细见图4。本研究中的精细化网格三维有限元模型为局部模型，仅模拟了桩腿根部局部结构与部分桩靴结构，且为混合网格模型，在桩腿与桩靴连接的关心结构区域单元网格为t（板厚）×t（板厚）的精细网格，远离关心结构区域采用桩靴结构骨材间距s×s的细网格。其中，齿条板结构模拟为三维体单元，弦管半圆板模拟为壳体单元。

模型1为三角型桩靴壳体结构基础与桩腿根部的主弦管直接连接。该结构形式主要依靠桁架式桩腿的弦管间距所构成的三角箱型各向同性结构完成桩腿与桩靴结构之间的载荷传递。三角箱型桩靴结构在一些自升式钻井平台和布置许可的大型风电平台上均比较常用。其优点在于桩靴结构重量整体偏轻，材料承载的利用率较高，缺点在于桩靴承载面积偏小，桩靴负荷较大，且浪费了平台主船体内的可利用空间。

模型2为多边型桩靴壳体结构基础与桩腿根部的主弦管直接连接。该结构形式主要依靠桁架式桩腿的弦管间距所构成的三角型及六边型各向同性结构完成桩腿与桩靴结构之间的载荷传递，米字型辐射和径向辐射结构辅助完成各向同性到各项异性结构的过渡；多边型箱型桩靴结构常出现于平台主体结构为船型的自升式平台上，这是桩靴结构受船体布置影响及追求最大化承载面积的结构设计形式；其优点在于桩靴的承载面积可最大化，桩靴局部强度的构件尺寸可以减小。

模型3为多边型桩靴联合三角型浮箱壳体结构基础与桩腿根部的主弦管直接连接。三角型浮箱的结构设计是进一步增强桩腿根部的抗弯能力；该混合箱型桩靴结构形式的出现，源于桩腿根部增大抗弯能力的需求，相比桩腿根部三角形流线大肘板^[4]加强结构容易出现拔桩后淤泥堆积的缺点，该混合箱型桩靴结构既大大减小了桩靴拔桩后淤泥的堆积范围，又在桩靴重量许可的前提下较好地提高了桩腿根部抗弯矩能力，进一步优化了该特殊结构的屈服强度及抗疲劳设计。

模型4在模型3的基础上，增加桩腿根部斜撑，也就是本依托平台的桩腿与桩靴连接处最终设计方案。三角型浮箱作为桩靴的一部分连接桩腿根部主弦管，流线型肘板作为特殊构件的一部分连接桩腿根部特殊构件、桩腿根部斜撑特殊构件，该方案是基于本平台结构实际，结合桩腿弦管间距、节间距等因素综合确定的最终设计方案。

递进式三维有限元计算分析中，与第1节的特殊构件设计的基础要素所受力学载荷完全一致，轴向载荷100 N，面内和面外弯矩载荷均为100 N·m；三维有限元模型在远离关心区域的桩靴结构截断处施加刚性约束，尽可能减小边界条件对精细化区域的计算结果影响。桩腿与桩靴连接处特殊构件的核心区域为桩腿的主弦管本身介于桩腿根部第一个双“K”管节点与桩靴顶板之间区域，位置示意图见图5。不同递进设计方案下的三维有限元直接计算结果见表2，应力分布详细示意图见图6和图7，注意的是，附图的每一模型中的应力顺序由左至右均为：轴向载荷下的计算应力值、面内弯矩载荷下的计算应力值、面外弯矩载荷下的计算应力值^[5,6]。

由递进式设计方案的精细化三维有限元直接计算结果可知：

1）模型1和模型2作为桩靴结构设计的主体框架基础，无论是三角型桩靴还是多边型桩靴均表现出了对桩腿根部非常强的面内和面外抗弯矩载荷的增强能力；针对本平台特定主尺度下的桩靴和桩腿连接处，桩靴结构对桩腿根部的抗弯矩能力均增大了约25%；进一步有力地说明了有独立桩靴的桩腿其入泥段抗弯能力比无桩靴的桩腿端部抗弯能力要大得多。两模型的最大应力位置均停留在桩靴顶板附近。由模型1和模型2，对桁架式桩腿的桩靴结构而言，桩腿弦管间距构成的三角箱型桩靴结构基础决定了桩靴的总体抗弯矩能力；多边型桩靴某种意义上而言，是对三角形桩靴结构的进一步加强，最大化减小了桩靴的对地压力，且对抗弯矩能力增强起到锦上添花的作用。

2）模型3和模型4，桩腿斜撑及三角型浮箱对桩靴和桩腿连接处的抗弯矩能力进一步增强；与模型1和模型2相比，桩腿与桩靴连接处的特殊构件区域根部应力减小的范围进一步扩大，应力值最大处均转移至局部连接的端部大肘板附近；但因结构突变引起的应力集中因素也开始明显增强，轴向应力集中增大了约15%。斜撑杆的加设虽然表面增大了轴向应力集中，但是其对桩腿根部的抗弯能力提高不容忽视。

3）由整个递进式设计方案的结果应力跟踪可知，桩腿与桩靴连接处的轴向应力因突变结构的存在，轴向应力集中因子均大于1.0，应力最大值发生处随结构形式不同而调整变化；但是随着桩腿根部特殊构件局部结构设计优化的层层递进，桩腿根部的面内弯矩和面外弯矩应力集中因子呈现直线式下降，变化趋势如图8和图9所示。

4）本递进式结构设计的流程进一步量化了本平台的桩腿与桩靴连接处特殊构件区域的屈服及疲劳结构强度展示。应力集中因子大幅降低，轴向应力集中范围最后转移至流线型肘板，保护了桩腿主弦管和桩腿斜撑杆的同时，桩腿根部面内弯矩和面外弯矩的抗弯能力提高了近50%。

3 结　语

桁架式桩腿与多边型桩靴的连接处特殊结构区域的设计关系到自升式平台的全周期生命安全，无论采用何种形式的桩靴结构总体设计，最大化提高桩腿特殊结构区域结构抗弯矩能力和缩小、转移桩腿根部应力集中的区域范围永远是设计重点。本文通过精细化三维有限元方法对桩腿与桩靴连接处的特殊构件区域设计进行了递进式精细化研究，结论如下：

1）带独立桩靴的桩腿与桩靴结构连接处局部抗弯矩能力显著增强，针对本平台主尺度下的桩腿与桩靴结构连接处特殊结构，独立桩靴的存在对桩腿与桩靴结构连接处特殊构件的抗弯矩能力提高了约25%。

2）三角型浮箱、流线形小肘板与桩腿根部局部斜撑的加设对桩腿与桩靴结构连接处抗弯能力的提高进一步锦上添花，本平台最终设计方案的桩腿与桩靴结构连接处特殊构件的抗弯能力提高了约50%。

最后，虽然说直接借助经典力学或者经验公式对某些特殊构件的设计没办法做到具体的量化，但是借助三维有限元的立体化手段，对不同方案下承载结构的固有特性如剖面模数和惯性矩变化规律等进行量化模拟永远不会过时。